(57)【要約】【課題】  プリント回路基板のひずみや振動の２次元的な分布を電気的に検出するひずみ分布計測装置を提供することである。【解決手段】  プリント回路基板１１上に形成した圧電材料１２上に圧電現象により発生する電気信号を検出する複数の電極１３を配置し、電極走査手段１４により、検出する一対の電極１３を順次組み合わせて選択する。そして、電極１３から検出された電気信号を増幅手段１５で増幅してＡ／Ｄ変換手段１６でアナログ／デジタル変換し、計測手段１７はＡ／Ｄ変換された圧電現象によって発生する電気信号をひずみ分布または振動分布の計測データとして計測する。解析判定手段１８は計測手段１７で得られた計測データに基づいてプリント回路基板１１のひずみや振動を解析判定し、その解析判定結果を出力手段２０に出力する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント回路基板上に塗布または取り付けた圧電性塗料または圧電性シートと、圧電性塗料または圧電性シート上に配置され圧電現象によって発生する電気信号を検出する複数の電極と、複数の電極のうち電気信号を検出する一対の電極を順次組み合わせて選択するための電極走査手段と、前記電極走査手段で順次組み合わせて選択された一対の電極からの電気信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段で増幅した電気信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換された圧電現象によって発生する電気信号をひずみ分布または振動分布の計測データとして計測する計測手段と、前記計測手段で得られた計測データに基づいてプリント回路基板のひずみや振動を解析判定する解析判定手段と、前記解析判定手段の解析判定結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とするひずみ分布計測装置。
【請求項２】
前記計測手段は、圧電性塗料または圧電性シート上に発生する電圧分布をひずみ分布または振動分布として計測することを特徴とする請求項１記載のひずみ分布計測装置。
【請求項３】
前記計測手段は、前記プリント回路基板上のはんだ部の亀裂開口に伴うＡＥ信号をひずみ分布または振動分布として計測することを特徴とする請求項１記載のひずみ分布計測装置。
【請求項４】
前記電極走査手段は、電気信号を検出する一対の電極を順次選択する際に、走査回数を最少にするとともに電気信号の検出限界に収まる電極の組み合わせを選択することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一記載のひずみ分布計測装置。
【請求項５】
前記圧電性塗料または圧電性シートは、対象とするプリント回路基板の共振周波数に近い周波数特性を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一記載のひずみ分布計測装置。
【請求項６】
前記圧電性塗料または圧電性シートは、前記プリント回路基板上のはんだ部の亀裂発生時のＡＥ周波数に近い周波数特性を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一記載のひずみ分布計測装置。
【請求項７】
前記解析判定手段は、前記プリント回路基板のひずみ量を圧電性塗料または圧電性シートの出力電気信号から導出する計算式もしくは校正曲線に基づいて解析判定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一記載のひずみ分布計測装置。
【請求項８】
前記解析判定手段は、前記プリント回路基板のＣＡＤ情報を読み込んで前記プリント回路基板上の重要部位を選択し、重要部位に関する計測データを選択してひずみ分布または振動分布を解析判定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一記載のひずみ分布計測装置。
【請求項９】
前記出力手段は、前記プリント回路基板上のひずみ分布、振動分布、電圧分布などを等高線表示などで可視化してそれらの分布状態を表示することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一記載のひずみ分布計測装置。
【請求項１０】
プリント回路基板上に圧電性塗料を塗布または圧電性シートを貼り付け、これらの圧電性塗料または圧電性シート上に電極を配置して選択した電極間での圧電現象を検出し、プリント回路基板上やはんだ部に発生しているひずみや応力の分布を監視することを特徴とするひずみ分布計測方法。
【請求項１１】
プリント回路基板の表面や裏面への塗布によって前記プリント回路基板上の部品やはんだ接合部のひずみや振動を電気信号として取り出す圧電性塗料または圧電性シートと、前記圧電性塗料または圧電性シートから取り出した圧電信号を蓄電する蓄電回路とを備えたことを特徴とする累積ひずみ量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント回路基板のひずみや振動を検出し評価するひずみ分布計測装置、ひずみ分布計測方法及び累積ひずみ量検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
家電製品、自動車、鉄道、産業プラント、公共プラント、電力プラントを制御する計算機や計器類は、電子部品を大量に実装したプリント回路基板を単位とし、これらを組み合わせて構成されている。これらの予防保全の方法としては、部品交換や基板交換などの定期的なメンテナンスが行われている。
【０００３】
近年は、この定期的なメンテナンスを必要最小限に抑え、保守に必要な経費の削減、さらには機器や設備の稼働率向上を図りたいというニーズが高まっている。制御装置の分野でも、時間計画保全から状態計画保全へと技術が移行し始めており、常時監視やオンライン診断により機器の劣化具合や劣化個所の特定を行う必要が出てきている。
【０００４】
プリント回路基板の診断については、赤外線画像処理で劣化部品の発熱異常を検知する方法、基板材料（ガラスエポキシ樹脂）の絶縁性能や回路パターン間の絶縁を検査する方法、その他、基板表面の汚損状態などを測定する方法など、プリント回路基板の電気的性能を検出する技術が多い。
【０００５】
また、航空機、人工衛星、原子炉などの大型構造物を組立てた後に、これらの被検体の振動を容易に検出できるようにした圧電性乾燥塗膜を振動センサーとして使用するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２６８６９９号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、近年は、電気自動車や鉄道車両の高性能化に伴ない、プリント回路基板が小形化されるケースが多く、その耐震性を確保する技術が求められている。現状、機械的性能については、はんだ部位のレーザー顕微鏡画像からはんだの亀裂進展速度を推定する方法があるが、プリント回路基板全面での振動状態やひずみ発生状態を物理量として詳細に計測する技術は確立されておらず、振動試験や劣化診断用にその技術を開発する必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、プリント回路基板のひずみや振動の２次元的な分布を電気的に検出するひずみ分布計測装置、ひずみ分布計測方法及び累積ひずみ量検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のひずみ分布計測装置は、プリント回路基板上に塗布または取り付けた圧電性塗料または圧電性シートと、圧電性塗料または圧電性シート上に配置され圧電現象によって発生する電気信号を検出する複数の電極と、複数の電極のうち電気信号を検出する一対の電極を順次組み合わせて選択するための電極走査手段と、電極走査手段で順次組み合わせて選択された一対の電極からの電気信号を増幅する増幅手段と、増幅手段で増幅した電気信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換された圧電現象によって発生する電気信号をひずみ分布または振動分布の計測データとして計測する計測手段と、計測手段で得られた計測データに基づいてプリント回路基板のひずみや振動を解析判定する解析判定手段と、解析判定手段の解析判定結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のひずみ分布計測方法は、プリント回路基板上に圧電性塗料を塗布または圧電性シートを貼り付け、これらの圧電性塗料または圧電性シート上に電極を配置して選択した電極間での圧電現象を検出し、プリント回路基板上やはんだ部に発生しているひずみや応力の分布を監視することを特徴とする。
【００１０】
本発明の累積ひずみ量検出装置は、プリント回路基板の表面や裏面への塗布によってプリント回路基板上の部品やはんだ接合部のひずみや振動を電気信号として取り出す圧電性塗料または圧電性シートと、圧電性塗料または圧電性シートから取り出した圧電信号を蓄電する蓄電回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
発明のひずみ分布計測装置によれば、プリント回路基板上に塗布または取り付けた圧電性塗料または圧電性シートにより基板の振動やひずみに伴なう圧電効果やＡＥをモニタリングするので、プリント回路基板の形状や面積に合わせて適正にひずみ分布や振動分布の測定ができ、プリント回路基板上のひずみ分布や振動分布を２次元的に細かく計測し監視できる。
【００１２】
発明のひずみ分布計測方法によれば、プリント回路基板上のひずみ分布を２次元的に細かく計測し監視できるとともに、計算機上のソフトウェアでの信号処理やデータ解析が可能となる。
【００１３】
発明の累積ひずみ量検出装置によれば、プリント回路基板に与えられた過去の機械的ストレスの履歴を電荷量として保存することができる。従って、定期点検時などに累積ひずみ量検出装置に蓄積された電荷量を点検することでプリント回路基板上の経時的なひずみ分布のチェックが可能となる。また、ひずみゲージと異なり電源供給をする必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるひずみ分布計測装置の構成図である。プリント回路基板１１の裏面には圧電性材料１２が薄膜状に形成されている。圧電性材料１２はプリント回路基板１１に機械的ひずみや振動が発生した場合に電気信号を発生するものであり、圧電性塗料または圧電性シート材で形成される。圧電性材料１２が圧電性塗料である場合には、プリント回路基板１１上に塗布されて薄膜状に形成され、圧電性材料１２が圧電性シート材である場合には、プリント回路基板１１上に取り付けられて薄膜状に形成される。
【００１５】
ここで、圧電性材料（圧電性塗料または圧電性シート）１２としては、検出対象とするプリント回路基板１１の共振周波数に近い周波数特性を有する材料を選択する。これにより、検出対象とするプリント回路基板１１毎に振動の検出感度を高める。また、圧電性材料１２としては、プリント回路基板上のはんだ部の亀裂発生時のＡＥ（Acoustic Emissoin）周波数に近い周波数特性を有する材料を選択する。これにより、プリント回路基板１１のはんだ部に発生する亀裂の検出感度を高める。なお、ＡＥは、固体が塑性変形あるいは破壊するときに内部から発生するパルス状の音波であり、圧電性材料１２はプリント回路基板１１のはんだ部に発生する亀裂に伴う音波による振動を検出することになる。
【００１６】
圧電性材料１２の表面には複数個の電極１３が配置され、１対の電極１３間の電圧を検出することによってプリント回路基板１１のひずみや振動を検出する。すなわち、電極走査手段１４は、複数の電極１３のうち電気信号を検出する一対の電極１３を順次組み合わせて選択し、プリント回路基板１１の全域に亘るひずみや振動を検出する。この場合、電極走査手段１４は、電気信号を検出する一対の電極１３を順次選択する際に、走査回数を最少にするとともに電気信号の検出限界に収まる電極の組み合わせを選択することになる。
【００１７】
電極走査手段１４で検出された電気信号は増幅手段１５で増幅され、さらに、Ａ／Ｄ変換手段１６でアナログ／デジタル変換されて計測手段１７に入力される。計測手段１７では、Ａ／Ｄ変換手段１６でＡ／Ｄ変換された圧電現象によって発生する電気信号をひずみ分布または振動分布の計測データとして計測する。すなわち、計測手段１７は、圧電性材料１２上に発生する電圧分布をひずみ分布または振動分布として計測するとともに、プリント回路基板１１上のはんだ部の亀裂開口に伴うＡＥ信号をひずみ分布または振動分布として計測する。
【００１８】
解析判定手段１８は、計測手段１７で得られた計測データに基づいてプリント回路基板のひずみや振動を解析判定する。解析判定手段１８では、診断データベース１９に予め記憶された計算式もしくは校正曲線に基づいて計測データから電気信号の特徴を抽出し解析判定を行う。計算式もしくは校正曲線は、プリント回路基板１１のひずみ量と圧電性材料１２の出力電気信号との関係を表したものである。これにより、プリント回路基板１１やはんだ材質毎に適正にひずみ量を推定できるようになる。
【００１９】
また、診断データベース１９にはプリント回路基板１１のＣＡＤ情報が記憶されており、解析判定手段１８は、プリント回路基板１１のＣＡＤ情報を読み込んでプリント回路基板１１上の重要部位を選択し、重要部位に関する計測データを選択してひずみ分布や振動分布を解析判定する。これにより、設計上機械的にクリティカルな部位と考えられる電極位置に照準を定めて計測を行うことができるので、異常検出の効率向上を図ることができる。
【００２０】
出力手段２０は、解析判定手段１８の解析判定結果を例えば表示出力する。出力手段２０は、例えば、プリント回路基板１１上のひずみ分布、振動分布、電圧分布などを等高線表示などで可視化してそれらの分布状態を表示する。
【００２１】
図２は、電圧分布の表示の一例を示す表示グラフの平面図である。図２に示すように、プリント回路基板１１上の位置を表す座標上に、電圧の大きさを立体的に棒グラフで表示している。これにより、プリント回路基板１１上のひずみ分布、振動分布、電圧分布などの分布状態を一目瞭然で表示でき、ひずみや振動の集中部位などプリント回路基板１１上の機械的なストレス集中点を観察することができる。
【００２２】
次に、動作を説明する。まず、プリント回路基板１１上に圧電性材料１２を形成する。圧電性材料１２が圧電性塗料である場合にはプリント回路基板１１上に圧電性塗料を塗布し、圧電性シート材である場合にはプリント回路基板１１上に圧電性シート材を取り付ける。これにより、プリント回路基板１１上に生じた振動やひずみを圧電性材料（圧電性塗料や圧電性シート）１２上での電気信号へと変換することができる。
【００２３】
変換された電気信号は、圧電性材料１２の性能で決定する信号検出可能距離で最適配置した電極１３と選択電極の切り替えを行う電極走査手段１４により選択的に計測できる。計測時の走査部位や走査の順番は、プリント回路基板１１のある一点から全面に向かって任意に走査してもよいが、現実的にはＣＡＤデータに基づいて、プリント回路基板１１上の重要部位を選択し、重要部位に関する計測データを優先的に走査する。
【００２４】
次に電極走査手段１４で選択した電極１３での電気信号を増幅手段１５で増幅する。この際、検出する電気信号は主に圧電効果による電圧か亀裂などで生じるＡＥ信号である。プリント回路基板１１の振動やはんだ部の亀裂にともなうＡＥ信号には固有の周波数帯があるため、圧電性材料１２の有する周波数特性をこの周波数帯域に合わせておくことにより、高感度な振動検出やＡＥ検出を実現することができるようになる。
【００２５】
増幅器の出力はそのままアナログ信号として検出しても良いが、解析判定手段１８で信号処理や信号変換（電圧−ひずみ変換、ＡＥ−亀裂長さ（深さ））でデータを処理するためにＡ／Ｄ変換してデジタル化しておくことが望ましい。これにより、ソフトウェア的な処理が可能となり画像処理や数値計算処理などを高速で実施することが可能となる。
【００２６】
また、診断データベース１９内に、プリント回路基板１１のひずみ量を圧電性塗料または圧電性シートの出力電気信号から導出する計算式もしくは校正曲線を材質ごとに備えたり、プリント回路基板１１の型式と材質の対応表などを備える。これにより、材質や型式を指定したひずみ量の推定ができるようになる。
【００２７】
解析判定手段１８は、プリント回路基板１１のＣＡＤ情報を読み込んでプリント回路基板１１上の重要部位を選択し、重要部位に関する計測データを選択してひずみ分布を算出する。算出したひずみ分布はＸ−Ｙ平面状の２次元データとなる。これを出力手段１１によって、電圧分布などを等高線表示などでカラフルに可視化して表示し、それらの分布状態を一目瞭然とする。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係わる累積ひずみ量検出装置の構成図である。累積ひずみ量検出装置は、圧電性材料１２と蓄電回路２１とから構成され、ある程度の長時間に亘る電圧変化に伴い発生する電荷を蓄積するものである。そして、ある程度の時間経過後に蓄電回路２１に蓄電された電荷量を解析判定してプリント回路基板１１のひずみ量を推定することになる。
【００２９】
プリント回路基板１１の裏面には圧電性材料１２が薄膜状に形成されている。圧電性材料１２はプリント回路基板１１に機械的ひずみや振動が発生した場合に電気信号を発生するものであり、圧電性塗料または圧電性シート材で薄膜状に形成される。圧電性材料１２の表面には複数個の電極１３が配置され、１対の電極１３間の電圧を検出することによってプリント回路基板１１のひずみや振動を検出し、検出した電圧を蓄電回路２１に蓄電する。
【００３０】
すなわち、プリント回路基板１１の表面や裏面に圧電性材料１２を形成し、圧電性材料１２からプリント回路基板１１上の部品やはんだ接合部のひずみや振動を電気信号として取り出し、圧電性材料１２に接続された蓄電回路２１にひずみに伴なって発生する電荷を閉じ込める。そして、ある程度の時間経過後に蓄電回路２１に蓄積された電荷量を解析判定する。
【００３１】
図４は蓄電回路２１の回路図であり、図４（ａ）は高電圧型蓄電回路の回路図、図４（ｂ）はノーマル型蓄電回路の回路図、図４（ｃ）はひずみ方向検知型蓄電回路の回路図である。いずれの蓄電回路においても圧電性材料１２のひずみに伴なって発生する電荷をダイオード２２を介してコンデンサ２３に閉じ込めるように構成されている。
【００３２】
高電圧型蓄電回路は、図４（ａ）に示すように、出力電圧が高い場合にダウントランス２４で電圧を低下させながら電流量をふやし、圧電作用で発電された電力をダイオード２２を介してコンデンサ２３に蓄電する。ノーマル型蓄電回路は、図４（ｂ）に示すように、４個のダイオード２２で形成された整流回路２５を有し、整流回路２５で整流された電荷をコンデンサ２３に蓄積する。すなわち、整流作用をメインとしてプリント回路基板１１が経時的に受けた機械的ストレスの量を向きに関係なく保存し観測できるようにしている。
【００３３】
ひずみ方向検出型蓄電回路は、図４（ｃ）に示すように、圧電性材料１２のひずみに伴なって発生する電荷を向きの異なるダイオード２２ａ、２２ｂを介して、それぞれコンデンサ２３ａ、２３ｂに蓄電する。すなわち、ある時間経過後、例えば、点検時にコンデンサ２３ａ、２３ｂの極性を確認することにより圧縮力が働いたのか引張り力は働いたのかを識別する。
【００３４】
このように、定期点検時などにおいて、累積ひずみ量検出装置の蓄電回路２１のコンデンサ２３に蓄電されている電荷量と電池極性を確認することで、過去のひずみ履歴を推定することが可能となる。この際に、蓄電電荷量とひずみ量との関係データベースを予め実験的あるいは経験的に保有しておけば、定量的な評価が可能となる。
【００３５】
第２の実施の形態によれば、プリント回路基板に与えられた過去の機械的ストレスの履歴を電荷量として保存することができる。従って、定期点検時などに累積ひずみ量検出装置に蓄積された電荷量を点検することでプリント回路基板上の経時的なひずみ分布のチェックが可能となる。また、累積ひずみ量検出装置は、通常のひずみゲージなどと比較して、電源を必要としないため、電源供給を気にすることなく自由にオンサイトで圧電性材料１２自体と電極とが劣化しない限りセンシングとモニタリングに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるひずみ分布計測装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における出力手段に表示される電圧分布の表示の一例を示す表示グラフ平面図
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる累積ひずみ量検出装置の構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる累積ひずみ量検出装置の蓄電回路の回路図。
【符号の説明】
【００３７】
１１…プリント回路基板、１２…圧電性材料（圧電性塗料または圧電性シート）、１３…電極、１４…電極走査手段、１５…増幅手段、１６…Ａ／Ｄ変換手段、１７…計測手段、１８…解析判定手段、１９…診断データベース、２０…出力手段、２１…蓄電回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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